REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL SEDE BARINAS-NÚCLEO BARINAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA “TURBINAS DE GAS PARA LA GENERACIÓN DE POTENCIA” ING JORGE ZAMUDIO JOSÉ FALCÓN GENERACIÓN DE POTENCIA MARÍA MOLINA 9NO SEMESTRE SECCIÓN “A” BARINAS, JUNIO DE 2011 RESUMEN Este enfoque busca como objetivo primordial el poder viabilizar la alternativa de producción de generación de potencia mediante las turbinas a gas y sus diversas aplicaciones en la industria. A través de las turbinas de gas se producen gran cantidad de energía con baja relación de peso potencia y una velocidad de giro muy elevada. Para la generación de potencia, entendiéndose este concepto como cantidad de energía producida por unidad de tiempo, las turbinas de gas tienen diversas aplicaciones, que para su uso específicos es necesario el estudio de sus efectos que esta puede causar en donde será utilizada, así tener los resultados esperados. Llamadas turbinas de gas, ya que se diferencias de las otras porque trabajan con fluidos. Este tipo de máquinas cuenta con dispositivos entre los más comunes compresor, cámara de combustión y la turbina impulsada por le energía cinética del fluido que pasa a través de ella con altas temperaturas. Las turbinas de gas son motores endotérmicos que convierten la energía química de la combustión continua desarrollada en las cámaras de combustión y aplicada al aire proveniente de un compresor centrífugo, para disponer de un flujo que al impactar con los álabes de la turbina provoque el salto energía mecánica produzca térmico la que rotación convertido del eje que en se convertirá en energía cinética en el compresor. En estos estudios se tratará las potencias de las distintas turbinas de gas, sus aplicaciones, así como las eficiencias que producen y las altas velocidades a las que trabajan. INTRODUCCIÓN Después de la segunda guerra mundial, la expansión del conocimiento en el campo de las turbinas de gas ha sido vertiginoso, Por esta razón, se han desarrollado modelos de comportamiento de turbinas de gas bajo diferentes condiciones de operación. La velocidad de giro, que en función del tamaño puede llegar a alcanzar valores de hasta 4000 rpm, orientada su utilización a una unidad de generación de gases con elevada entalpía que puede utilizarse para propulsión a reacción o puede ser la encargada de accionar una turbina de potencia acoplada a un eje, en la que puede acoplarse cualquier tipo de carga. De este modo la turbina de gas está formada por dos elementos principales: -El generador de gas -La unidad generadora de potencia El generador de gases esta formado a su vez por uno o varios compresores, la cámara de combustión, donde se mezclará el combustible con el aire y donde tendrá lugar la combustión, y finalmente la o las turbias de expansión de gases, que en este caso sólo obtendrán la potencia necesaria para mover los compresores. La unidad generadora de potencia es donde se obtendrá la potencia útil de la máquina, dependiendo de la aplicación, será otra turbina de expansión de gases, o una tobera de propulsión. ANÁLISIS DE LAS TURBINAS DE GAS PARA LA GENERACIÓN DE POTENCIA La turbina de gas es una planta de potencia que produce gran cantidad de energía con poco peso y tamaño. Puede funcionar con una gran variedad de combustibles: gas natural, diesel, nafta, metano, gasóleos vaporizados, gases de biomasa. Ha tenido últimos un gran años: crecimiento mejora de de utilización materiales, en los refrigeración. Incremento de temperaturas y relaciones de compresión. Aumento del rendimiento del motor de 15% a valores de 45% El coste de operación de la planta de potencia y el coste de la energía combustible, depende eficiencias de varios de factores: funcionamiento, costo del costos de mantenimiento y costo inicial. La elección del tipo de planta de potencia depende de esos factores y de su aplicación y localización. Aplicaciones: generación de energía eléctrica (grandes y pequeñas instalaciones), propulsión marítima, terrestre y aérea. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y EMPLEO DE LAS TURBINAS DE GAS El empleo de las turbinas de gas de circuito abierto presenta, con relación a los motores alternativos de combustión interna, el mismo interés que las turbinas de vapor respecto a las máquinas de pistón. En las turbinas de gas, el rendimiento está muy lejos de igualar el de los motores alternativos, y aun a veces, el de las turbinas de vapor; esto es debido a que: * Existe una cierta dificultad para construir compresores rotativos que permitan alcanzar elevadas relaciones de compresión. * Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soporten temperaturas elevadas, al tiempo que mantienen unas determinadas características técnicas. En las turbinas de gas de circuito abierto se cumplen una serie de requisitos: * No existen piezas en movimiento alternativo, por lo que es muy fácil realizar el equilibrado * Tienen gran velocidad de rotación, entre 3.000 y 30.000 rpm * Tienen un par regular sin necesidad de volante * Tienen buena adaptación a las grandes expansiones, y por lo tanto, a los grandes volúmenes de fluido * Producen grandes potencias en poco espacio En las turbinas de gas de circuito abierto, la combustión se realiza en el interior de la máquina y según las condiciones en que se verifique, distinguiremos: - Turbinas de explosión - Turbinas de combustión Sin embargo conocidas existen como otros turbinas de tipos de gases turbinas de escape, de gas, que se construyen para recuperar la energía contenida en los gases de escape de un hogar a presión, o de un motor alternativo. Cuando la turbina es alimentada por los gases de escape de un motor, sobrealimenta arrastra el motor un compresor alternativo, centrífugo aumentando así que la presión media efectiva y, por lo tanto, la potencia. Para el caso de un motor Diesel, su velocidad de rotación oscila entre 2.000 y 3.000 rpm, permitiendo una relación de compresión de 1,5. Las turbinas así instaladas, no exigen ningún tipo de energía del motor, ya que ellas trabajan con los gases residuales y, por el contrario, sobrealimentando un motor Diesel, por ejemplo, a 1,4 atm (4 tiempos), su potencia se acrecienta entre un 40% y un 50%, con una presión media de 8 a 9,5 atm, mientras que si lo sobrealimenta con 2 atm, la potencia se mejora en un 100%, con presiones medias comprendidas entre 12 y 13 atm. Aunque no se produce una modificación importante en sus dimensiones las piezas deben estar calculadas en consecuencia. Estas turbinas no difieren sensiblemente de las de vapor de acción de uno o dos escalones; frecuentemente, la turbina y el compresor se agrupan en un mismo conjunto. APLICACIONES DE LAS TURBINAS DE GAS SOBREALIMENTACIÓN DE MOTORES Y CALDERAS En las instalaciones que utilizan fluidos compresibles, las cantidades de energía utilizadas y, por tanto, las dimensiones de las máquinas, son proporcionales al flujo másico; potencia para o reducir para las aumentar dimensiones la potencia conservando la manteniendo las dimensiones, se puede: - Aumentar las velocidades de circulación, que para secciones de paso iguales, implica un aumento del flujo másico, lo que supone un aumento de las pérdidas de carga, y una reducción del rendimiento. - Aumentar la presión de funcionamiento y, por tanto, el peso específico de los gases y el flujo másico, sin cambiar las velocidades de circulación, posibilidad que constituye una de las principales ventajas de la turbina de gas en circuito cerrado. En las máquinas que funcionan con aire en condiciones atmosféricas, el aumento de la presión de funcionamiento o sobrealimentación se consigue colocando un compresor a la accionarlo entrada de la instalación. Para se necesita energía que se obtiene de la energía térmica residual de los gases antes de ser lanzados a la atmósfera. La primera aplicación de la sobrealimentación fue la de los motores de aviación (1916) mediante un compresor accionado por una turbina alimentada por los gases de escape del motor, apareciendo en 1930 las primeras calderas sobrealimentadas por grupos turbocompresores. TURBOCOMPRESOR constan de generalmente centrífugo DE una SOBREALIMENTACIÓN.- turbina de de inyección para relaciones gas total de y Estas un de máquinas escalonamiento, un compresor de compresión entre 1,5 y 2,5. El sistema de sobrealimentación que se aplicó a los motores Diesel de cuatro tiempos hacia 1920, también se emplea en los motores Diesel de dos tiempos desde 1950. OTRAS APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA TURBINA DE GAS La combustión de los gases de alto horno se puede aplicar a la obtención de energía eléctrica, y/o a la obtención de grandes cantidades de aire a presión necesario para diversas aplicaciones en las fábricas siderometalúrgicas. A principios de siglo se utilizaban soplantes que eran combinación de funcionaba con un motor dichos de combustión gases y de interna un que compresor alternativo, máquinas lentas y de grandes dimensiones; posteriormente, para el accionamiento de las turbosoplantes se utilizó una turbina de vapor alimentada por una caldera que quemaba el gas del horno alto. Hoy en día estos gases se queman en una turbina de gas acoplada a una turbosoplante, y/o a un alternador, en la que las condiciones de servicio, y el orden de magnitud de las potencias necesarias para el accionamiento de la turbosoplante y/o el alternador a gran velocidad, las hace idóneas para su utilización. TURBINA DE GAS PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA. Cuando la turbina de gas se utilice para generar energía eléctrica, la instalación se complementa con un compresor de gas de pequeñas dimensiones, que puede girar a mayor velocidad accionado mediante un multiplicador de engranajes. Los gases de escape calientan el aire y el gas combustible; la regulación se efectúa del gasto de combustible mediante un by-pass en la aspiración; se puede realizar un ahorro de energía dotando al compresor de combustible de una turbina de recuperación. TURBINA DE GAS PARA LA PRODUCCIÓN DE VIENTO. La turbina de gas acciona en acoplamiento directo a la turbosoplante orden de engranajes alternador, de 1,2 viento, atm, acciona la y que alcanza mediante al potencia un una multiplicador compresor. generada presión Como en no la del de hay turbina acciona a la turbosoplante, que no está sujeta a una velocidad de rotación determinada, por lo que se puede adaptar a las necesidades de viento de la instalación, tanto desde el punto de vista del gasto másico, como de la presión. Como el gasto másico de viento está entre un 33% a un 45% del gasto másico total del compresor, las fluctuaciones que se pueden producir en el servicio no influyen sensiblemente en el funcionamiento de la turbina. Esquema de una turbosoplante TURBINA DE GAS PARA LA PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA Y AIRE COMPRIMIDO. En esta instalación, el grupo gira a velocidad constante y la regulación del gasto másico de viento se efectúa en la turbosoplante, por el escape, mediante una turbina de recuperación combinada con una toma en el compresor de aire. La combinación de la generación de energía y viento ofrece la posibilidad de hacer funcionar el alternador como motor, accionando la soplante imprevista de la turbina de en caso de una parada gas. Los combustibles gaseosos, gases de horno alto o gas natural, no presentan en general los inconvenientes de los combustibles líquidos en lo que concierne a la corrosión. Los gases de horno alto se deben depurar y las temperaturas vienen limitadas por la resistencia metalúrgica de los metales que con frecuencia llegan a 750ºC. Turbina de gas para la producción simultánea de energía y aire comprimido GENERADOR DE GAS DE PISTONES El generador de pistones de gases calientes que alimenta una turbina de gas situada sobre el conducto de escape, es un motor Diesel sobrealimentado, conjunto constituido por una máquina de pistones cuyo único papel es alimentar una turbina de gas que suministre por sí misma toda la potencia motriz. En la se esquematiza un generador de este tipo que lleva dos pistones escalonados de movimientos opuestos y simétricos; en la parte central un cilindro funciona según un ciclo Diesel de dos tiempos. Los pistones de barrido están dispuestos a ambas partes. Sistema de funcionamiento del generador de pistones libres El aire es aspirado espacio anular a través de que rodea el unas válvulas cilindro Diesel al que está alimentado por las aberturas, verificándose el escape por una canalización que alimenta la turbina. El barrido se asegura por una disposición conveniente de las aberturas 6 y 7 que, en un momento dado, abiertas. exterior, Durante los su pistones están simultáneamente desplazamiento 3 comprimen el hacia el aire que, durante la carrera de vuelta, asegura por su expansión el barrido y la compresión en el cilindro Diesel así como la compresión del aire de barrido. Los movimientos de los pistones se sincronizan mediante un sistema de bielas exterior que, teóricamente, no recibe ningún esfuerzo y que se utiliza inyectores. del mismo modo para el mando de los Se representa el diagrama termodinámico; suponiendo que el punto A representa el estado del aire ambiente, se observa que: -La fase de aspiración del aire viene representada por la transformación (AB) -La compresión del aire en el cilindro compresor por (BC) -La inyección del aire entre el compresor y el cárter por (CD) En el punto D la masa de aire que evoluciona se subdivide en otras dos, cuya relación varía con la carga, una sigue el ciclo Diesel, y la otra sirve para el barrido del cilindro motor y se añade a los gases de escape del ciclo Diesel, punto J, para conformar la mezcla gaseosa, punto K, que se va a expansionar en la turbina siguiente (KL). El conjunto generador-turbina de gas presenta un rendimiento elevado, del orden del 35%, próximo al del motor Diesel, comparable al obtenido por las turbinas de gas de ciclos complejos que llevan recuperación prolongada y compresión y expansión escalonadas. El montaje de varios generadores para alimentar una misma turbina puede permite llegar a realizar 10.000 instalaciones CV. En algunas cuya potencia centrales se encuentran aplicaciones como elemento en horas punta o en emergencias. Ciclo de un grupo turbina de gas-generador de pistones libres MOTORES DE PROPULSIÓN POR TURBINA DE GAS PROPULSIÓN DE BARCOS.- Las aplicaciones de la turbina de gas en la propulsión de navíos son poco numerosas, debido fundamentalmente a dos situaciones. La primera es que provista de un la turbina elemento de marina debe estar marcha atrás que, cuando está inutilizado en funcionamiento normal, produce pérdidas por ventilación; en la turbina de vapor estas pérdidas son pequeñas, pues los elementos de atrás giran en condensador, un es espacio decir, marcha donde reina la presión del prácticamente el vacío; sin embargo no ocurre lo mismo en los grupos de gas donde estas pérdidas son sensibles, ya que las aletas están, cuando menos, a la presión atmosférica. No obstante, en algunos casos se puede evitar este inconveniente utilizando rotores de palas orientables. La segunda característica consiste en que la inercia térmica de una turbina de gas de disposición clásica es grande, sobre todo cuando la instalación tiene dos líneas de ejes. En estas condiciones, se facilita la adaptación del generador de pistones libres, pues este aparato posee una inercia calorífica y mecánica pequeña, análoga la inercia del del motor turboreductor turbina de Diesel, de vapor. gas De y la a grupo que mueve es idéntica a la de una esta manera se han equipado un cierto número de barcos de pequeño tonelaje. El aparato propulsor con grupo clásico lleva el generador de gas AP y el turboreductor BP; se presenta un esquema de esta disposición. Grupo marino de turbina de gas La Propulsión por turbinas a gas, en comparación con la propulsión sistema con de insuperable puede combustible propulsión relación decirse propulsión de que los fósil, cuya el buques el ventaja peso-potencia son es que elemento de combate, adoptado por casi todas las Marinas más moderno radica en la desarrollan primordial habiendo y de sido de Guerra del mundo. Dado que este tipo de máquina es mucho menos conocida, vamos a hacer funcionamiento una para descripción ver a de sus continuación principios su forma de de utilización. Cuando hablamos de la turbina de gas en su aplicación naval nos referimos siempre (salvo que se diga otra cosa) a las turbinas marinas derivadas de las aeronáuticas que propulsan a los aviones a reacción, no sólo porque la aplicación naval se ha beneficiado del alto grado de desarrollo y perfeccionamiento de las turbinas de avión, sino porque se trata de una máquina muy simple que permite obtener grandes potencias con tamaños y pesos muy pequeños. En esto reside su gran atractivo para ser adoptada en los buques de guerra. La turbina de gas es una máquina que trabaja según el llamado ciclo de Brayton, en el cual el fluido (en teoría un gas perfecto) sufre una compresión a entropía constante en un compresor, seguida de un calentamiento a temperatura elevada y presión constante en una cámara de combustión, para expansionarse luego isentrópicamente en una turbina hasta la presión de aspiración inicial del compresor. es mayor Como el trabajo desarrollado en la expansión que tenemos un utiliza para el absorbido trabajo la útil en la fase disponible propulsión o que cualquier de es compresión, el otro que se servicio según la aplicación de que se trate. Se trata pues de una máquina de ciclo abierto, ya que el fluido que evoluciona se exhausta, es decir, el que comienza el nuevo ciclo no es el mismo que realizó el anterior, y es también una máquina a la que, en sentido estricto no podemos llamar de combustión interna, ya que el fluido que va a trabajar en la turbina puede generarse fuera de la máquina que lo va a utilizar. En las disposiciones usuales el generador de gas y la turbina propiamente dicha forman un todo continuo y único, podemos denominarla una seudomáquina de combustión el compresor, interna. El aire atmosférico es aspirado por generalmente axial, en el cual el aire se ve obligado a pasar a espacios más pequeños sufriendo una compresión, para pasar seguidamente a una cámara de combustión donde se inyecta el combustible, exceso de aire. que se quema con un gran El fluido resultante es el gas que incide sobre la turbina de alta, que a su vez acciona el compresor, y después de haberse expansionado en ella pasa a la turbina de potencia (o de baja) que es donde produce el trabajo necesario para la propulsión. Finalmente se exhausta a la atmósfera. PROPULSIÓN DE AUTOMÓVILES.-La técnica actual permite adaptar la turbina de gas para potencias pequeñas con rendimientos muy velocidad rotación de aceptables en elevada. máquinas Pero los pequeñas con tipos que no llevan recuperador tienen un consumo exagerado que hace imposible todo desarrollo en la industria del automóvil. El problema de la aplicación de la turbina de gas al automóvil radica en el recuperador, que debe ser ligero, de dimensiones reducidas y de precio moderado. La mayor parte de los grandes constructores han construido experimentado prototipos, que básicamente constan de: y -Un generador de gases calientes constituido por un grupo de AP de un escalonamiento, compresor centrífugo de aletas radiales, un recuperador rotativo cuyas células, calentadas por los gases de escape de la turbina BP, recalientan el aire que sale del compresor, una cámara de combustión; - Una turbina de potencia útil de un escalonamiento BP con álabes distribuidores regulables - Elementos auxiliares, motor de arranque, bomba de combustible La originalidad de la máquina consiste en la presencia de los álabes distribuidores regulables que permiten hacer variar el par sobre la rueda de BP, e incluso ejercer un momento de frenado, particularidad interesante cuando se sabe que principales la falta de freno inconvenientes que motor se es uno de encuentran turbina de gas aplicada para la tracción automóvil. en los la PROPULSIÓN POR REACCIÓN TURBORREACTORES.- La turbina de gas ha encontrado su utilización más espectacular en el campo de la propulsión aeronáutica. Inicialmente utilizada en aparatos militares rápidos, pero con radio de acción reducido, se extiende en la actualidad a recorridos de largo alcance dentro del campo de la aviación. En general, un propulsor de reacción es un aparato que produce un chorro de gas de gasto másico G que sale a la velocidad y produce un empuje, El chorro de gas es el resultado de una combustión: -En un cohete, el combustible y el comburente están en el interior del aparato, lo que le hace independiente de la atmósfera -Por el contrario, el reactor toma el comburente del aire ambiente que penetra en la máquina debido: a) A la velocidad de desplazamiento (estatoreactor) b) Al efecto de un compresor accionado por una turbina que toma su energía de los gases de propulsión (turborreactor), que se reduce a una turbina de gas que genera gases calientes; la turbina de potencia útil y el recuperador, se sustituyen por una tobera de expansión donde el chorro de propulsión adquiere la velocidad El empuje E* de un aparato de este tipo que se desplace a la velocidad absorbiendo un gasto másico de aire y lanzando hacia atrás un gasto másico con una velocidad , es de la forma: En lo que sigue, se despreciará en primera aproximación el gasto másico , por lo que la energía transmitida al fluido por el reactor es: La potencia de propulsión es: El rendimiento de la propulsión es: que no tiene sentido más que para, Este rendimiento mejora cuando aumenta la velocidad es decir, el propulsor de reacción es conveniente para grandes velocidades, observándose que: lo que, con empuje constante, el , por gasto aumenta con la velocidad del aparato. CONCLUSIONES Y REFLEXIONES másico El Gas Natural resulta el combustible ideal para operación de una Turbina de Gas. Para disponer de niveles aceptables de rendimiento de la turbina de gas se debe disponer de compresores y turbinas de alto rendimiento, con álabes que soporten altos requerimientos mecánicos y térmicos. Una de las desventajas en el campo de las turbinas de gas es que se requiere elementos que soporten altísimas temperaturas y que son muy costosos. Con respecto al método de producción de potencia mediante turbinas a gas es más limpio que otros métodos convencionales. En muchos de los casos el rendimiento será mejor si la velocidad a la cual trabaja la máquina sean altas. Mientras que las potencias producidas dependiendo de su aplicación serán pequeños. BIBLIOGRAFÍA DÍEZ, Pedro Fernández (2009). “APLICACIONES DE LAS TURBINAS DE GAS”. Tomado vía internet. Formato .Pdf http://libros.redsauce.net/Turbinas/Gas/PDFs/08Tgas.pdf DÍEZ, Pedro Fernández (2009). “TURBINAS DE GAS”. 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